基于MC20模块的GPS/北斗定位系统的实验设计

朱克武，林金妹，袁小放

（广东食品药品职业学院，广州 510520）

0 引言

全球卫星导航系统主要有美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO。GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。中国的北斗卫星导航系统和美国的GPS导航系统一样，同样能够在全球范围内全天候为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力。GPS和北斗卫星导航系统除了应用在军事方面以外，还广泛应用于民用方面，如个人位置服务、气象应用、道路交通管理、铁路智能交通、海运和水运、航空运输等方面，带来了巨大的社会和经济效益。

MC20模块集成了GSM和GNSS（GPS+北斗）双系统，在该模块上进行AT指令的实验教学，学生能够加深对AT指令的理解，体验GPS和北斗信息的采集过程，熟练掌握GPS和北斗信息采集和信息分析的方法，为GPS和北斗技术的广泛应用和技术普及打下良好的基础。

1 MC20模块硬件组成

MC20模块支持GSM和GNSS（GPS+北斗）双系统定位，在网络交互的同时，可使用的卫星数量更多，搜星的时间更短，加快GNSS系统的定位速度，提高定位精确。

图1 MC20模块硬件组成

MC20模块如图1所示，主要包括：电源、STM32微处理器、串口、SIM卡、MC20核心芯片、有源天线或无源天线几个部分组成。

外接电源，电源（5V-12V），通过模块内部的稳压电路将外接电源降为5V，供模块使用。上位机通过串口对模块进行各种参数设置，主要是使用AT指令，完成GNSS数据的接收。SIM卡是一个装有微处理器的芯片卡，用来连接中国移动或中国电信的无线网络，如果没有插入SIM卡，MC20模块是连不上移动或电信的无线网络的，MC20不能通过无线网络接收或发送数据的，无法正常工作，因此，必须插入SIM卡，这样才能够将MC20采集的卫星信号通过无线网络传递到指定的数据服务器。有源天线内部集成了接收天线模块、低噪声放大模块、电源供给模块，有源天线必须放在户外或窗户上，接收GPS或北斗的卫星信号，放在室内是不能接收GPS或北斗信号的。无源天线只包含接收天线模块，优点是不需要外加电源将可以工作，结构简单，成本低廉，技术成熟，占空体积小，适合于紧凑型空间的GPS导航产品、蓝牙GPS、手机GPS等产品。如果设备与GPS接收模块之间有一定的距离，如距离超过1米，这种情况下，只能选择有源GPS天线。本模块集成了有源天线和无源天线，便于用户选择其中的一个使用。单片机STM32微处理器是MC20模块的核心控件之一，通过串口与上位机通讯，通过串口与MC20模块进行通讯，接收GPS或北斗信号。MC20芯片是整个模块的核心组件之一，采用联发科最新推出的多功能通信定位芯片研制而成，内嵌丰富的网络协议（如TCP、UDP、FTP、HTTP 等），还集成了多星座卫星系统（如GPS、北斗等），支持语言、短信、通话等功能，支持蓝牙功能，能够提供无线移动通信以及精准的导航定位功能。

2 MC20模块的串口设计

本系统主要是通过串口来串联上位机和下位机的。上位机和下位机使用串口连接，上位机向下位机发送AT指令，对MC20进行各种参数设置和控制，下位机将采集的数据发给上位机，供上位机使用。下位机的STM32 F103E微处理器使用一个串口和MC20的主串口相连，用于AT指令的发送、GPRS数据的传输、GNSS数据的传输。还可以使用MC20的辅助串口与微处理器相连，用于发送GNSS数据。

2.1 串口

单片机STM32 F103E微处理器内部有5路串口，在本系统的通信过程中，至少需要使用两个串口，第三个串口可以使用，也可以不使用。第一个串口连接上位机，上位机通过串口，发送AT指令到STM32 F103E，上位机接收下位机的数据，用户能够及时判断MC20模块当前的状态；第二路串口连接MC20的串口，这个串口是MC20的主串口，用于AT命令传送、GPRS数据

2.2 串口助手和AATT指令

本系统使用串口进行通讯，因此，上位机必须要有一个串口模块，负责串口通讯。串口通信有很多成熟的软件，如SSCOM、XCOM等串口助手软件。

SSCOM 3.3串口助手如图2所示，左上角的区域为接收数据区，用来显示串口接收的数据。右上角为“多条字符串定义”选项卡区域，由多个独立的文本框组成，一个文本框存放一个字符串，文本框的后面的“数字”是按钮，单击“数字”，将文本框里面的字符串以字符的形式发送出去，文本框的前面是一个复选框，选中复选框，则文本框里面的数据以16进制的形式发送。“隐藏”按钮是打开和关闭“多条字符串定义”选项卡窗口的。COM1是串口号，用户根据实际连接的串口进行选择。串口连接以后，一定要打开串口，才可以使用，否则，串口是不能使用的。串口一定要设置参数，默认数据位是8位，停止位是1位，无奇偶校验位，串口参数的设置主要是波特率的设置，本模块使用的波特率是115200。单击“发送”按钮，将下面的细长条文本框中的数据发送出去。最下面是串口发送、接收、串口是否打开等状态信息。

将AT指令事先在“多条字符串定义”选项卡中填好，发送的时候，只需要单击“数字”按钮，就完成文本框中数据的发送，下次打开串口助手的时候，文本框中的数据会被保存，不用一条一条输入，方便用户使用。

AT指令的使用，MC20接收AT指令后，会对指令进行响应的处理，并返回处理的结果，如果返回“OK”，则表明没有错误。传输，具有自适应波特率，多路复用等功能，通过主串口将AT指令传送到MC20，由MC20进行解析，MC20采集的GNSS数据通过主串口传输到STM32 F103E。主串口还可以将TCP命令、UDP命令等网络命令传送给MC20模块，MC20模块通过移动网络或联通网络，与远程服务器连接，通过主串口进行数据传输，既能够接收远程服务器的数据，也可以发送数据到服务器，这样，MC20模块就具有和无线网络通信的功能。第三路串口，这个串口可以使用，也可以不使用，MC20模块有一个辅助串口，用于传输MC20采集的GPS和北斗信号的，主串口也是可以传输GPS和北斗信号的，将这个辅助串口和STM32 F103E的串口相连，可以实时传输GPS和北斗信号。

图2 SSCOM 3.3串口助手

第一条指令必须是“AT”，如果返回“OK”，表明串口通讯正常，否则，需要检查串口的设置，直到返回“OK”。“AT+QGNSSC=1”指令，开启 GNSS 功能，PPS 指示灯点亮，开始定位工作。该命令只需要输入一次，打开GNSS模块电源，不需要反复输入，否则，会反复给GNSS模块供电，影响模块的使用。“AT+CSQ”指令查询当前网络的信号强度。“AT+CPIN?”指令查询是否有SIM卡，如果没有SIM卡，则不能使用移动或联通网络。“AT+CREG?”指令查询是否注册GSM网络，“AT+CGREG?”指令查询是否注册GPRS网络，返回字符串中，有1，表明SIM卡是本地卡，有5，表明SIM卡是漫游卡。“AT+QICSGP=1,“CMNET””指令表明SIM卡使用的是移动网络。“AT+QGNSSRD”指令是获取GPS和北斗卫星信息的指令。如果前面的AT指令没有返回错误，执行本条指令，就会采集到GPS和北斗信号。需要使用循环语句不断发送这条AT指令，开始的一段时间，采集的GPS和北斗信号数据都是0，因为，天线还没有接收到卫星信号，当卫星定位成功后，就能够采集到数据，这个过程可能要几十秒到几分钟，跟所处的环境、天线有关。

3 GNSS数据的分析

通过“AT+QGNSSRD”指令，获取GPS和北斗卫星信息，包括：GNGGA（GPS定位信息）、GNRMC（推荐定位信息）、GPGSA（当前卫星信息）、GPGSV（可见GPS卫星信息）、BDGSV（可见北斗卫星信息）、GNGLL（定位地理信息）、GPVTG（地面速度信息）。

GPS和北斗的数据主要是经度、纬度、高度、速度、航向等。因此，主要分析GNGGA（GPS/北斗定位信息）、GNRMC（推荐定位信息）这两条数据。

3.1 GNGGA 数据分析

GNGGA是GPS定位信息。数据格式为：$GNG⁃GA,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,（8）,（9）,（10）,（11）,（12）*hh。其中：$是接收数据的开始标记。GNGGA是GPS定位信息，各个数据之间使用逗号分割。后面的数据分别是：UTC时间、纬度、纬度半球（N为北纬，S为南纬）、经度、经度半球（E为东经，W为西经）、定位质量指示、使用卫星数量、水平精确度、天线离海平面的高度（海拔高度）、大地水准面高度、差分时间、差分参考基站标号。*是接收数据的结束标记。hh是校验码。

通过分割逗号，取出对应的数据。从GNGGA数据类型中，需要取出UTC时间、纬度、纬度半球、经度、经度半球、海拔高度。

3.2 GNRMC数据分析

GNRMC是推荐定位信息。数据格式：$GNRMC,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,（8）,（9）,（10）,（11）,（12）*hh。其中：$是接收数据的开始标记。GNRMC是推荐定位信息，各个数据之间使用逗号分割。后面的数据分别是：UTC时间、定位状态（A为有效，V为无效定位）、纬度、纬度半球（N为北纬，S为南纬）、经度、经度半球（E为东经，W为西经）、地面速度、地面航向、UTC日期、磁偏角、磁偏角方向、模式指示。*是接收数据的结束标记。hh是校验码。

通过分割逗号，取出对应的数据。从GNRMC数据类型中，需要取出UTC时间、纬度、纬度半球、经度、经度半球、地面速度、UCT日期。

通过对GPS定位信息和推荐定位信息的分析，可以得到当前位置所在的纬度、经度、高度、速度、地面航向、日期、时间等关键数据，将这些数据应用到地图服务器上，就可以在地图上看见MC20模块所在的位置，方向、速度等信息。

4 结语

随着GPS、北斗卫星定位系统的广泛使用和普及，培养学生掌握和运用卫星定位系统，显得非常重要。通过对小车GPS定位系统的学习，让学生能够自己动手连接MC20模块，掌握串口在GPS定位系统中的作用，通过串口助手的使用，让学生熟练掌握AT指令，并能够理解每一条AT指令的含义，根据AT指令的返回信息，判断MC20模块当前的工作状态。通过对GPS和北斗数据的分析，加深对GPS和北斗数据的理解，通过程序设计，在一堆数据中，取出自己需要的数据，并能够将这些数据应用到地图服务器上，锻炼了学生的编程能力。通过GPS定位系统的实践教学，让学生能够掌握GPS的使用，达到了预期的教学目标，为社会培养大批GPS和北斗应用人才，推动了GPS和北斗卫星信息在各行各业的广泛应用。